智能变电站中使用无线局域网的保护系统测试与分析
梁康有+袁玲+干红平
摘 要：无线局域网的快速保护系统在智能变电站的稳定运行过程中起到了不可替代的作用，而该保护系统的可靠性和实时性研究也引起了广泛关注。针对这一问题，测试与分析了影响该保护系统性能的两个重要方面：通信过程中使用的信号压缩算法和整个系统的通信时间延迟。对使用软件仿真和统计学原理等方法进行了测试和分析。信号压缩算法的评估和通信时间延迟的计算结果表明无线局域网的保护系统应该在智能变电站中被广泛推广。
关键词：智能变电站； 无线局域网； IEC 61850； 行波
中图分类号： TN915?34； TP338 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0170?03
Test and analysis of WLAN?based protection system for smart substation
LIANG Kangyou1， YUAN Ling2， GAN Hongping1
（1. School of Electronic and Electrical Engineering， Chongqing University of Arts and Sciences， Chongqing 402160， China；
2. Yongchuan Branch Company， State Grid Chongqing Electric Power Company， Chongqing 402160， China）
Abstract： The fast protection system based on wireless local area network （WLAN） plays an irreplaceable role in the stable operation process of the smart substation， and its reliability and real?time performance also attract wide attention. Aiming at this problem， two important aspects （signal compression algorithm in communication process and communication time delay of the whole system） affecting on the performance of the protection system are tested and analyzed. The software simulation， statistics principle and other methods are used to test and analyze the system. The evaluation result of the signal compression algorithm and the calculation result of the communication time delay show that the WLAN?based protection system should be widely promoted in the smart substations.
Keywords： smart substation； WLAN； IEC 61850； traveling wave
0 引 言
随着技术的发展和应用，智能变电站在智能电网领域得到了广泛应用，成为新一代电力系统的核心组成。在实际应用中，智能变电站除了要满足传统变电站的功能之外，还需实现信息采集、传输、处理和输出等完全数字化的功能[1]。为保障这些功能的实现，智能变电站需要使用可靠且快速的保护系统[2?6]。目前，基于行波的无线局域网系统可实现智能变电站所需功能，本文就对该保护系统进行了测试与分析。
智能变电站保护系统最重要的性能就是信号传输的可靠性和实时性[7?8]。本文也是针对这两个方面对保护系统进行测试。首先，影响该系统可靠性的因素就是控制信号传输的压缩算法，即离散小波变换算法（DWT）。压缩因子、信噪比和均方误差百分比这些指标均可充分评价信号的变化，其被用來测试该算法的性能。其次，作为衡量该系统实时性的指标，即系统的通信传输时间延迟，也在本文的后半部分被计算。在测试过程中，OPNET软件仿真了该系统。在不同的采样频率、空间流数量以及信噪比的情况下，从仿真结果可以得到通信的端到端时间延迟。在此基础上，估算整个系统的通信时间延迟，计算结果证明了该系统可起到快速保护的作用。
1 使用无线局域网的保护系统
用于保护智能变电站的无线局域网是基于IEC 61850标准的，IEC 61850标准是变电站自动化领域中的国际标准协议，实现了智能变电站的工程运作标准化。而基于该标准的无线局域网基础架构较为简单。如图1所示，该系统是由连接变电站线路终端的智能中继组成[9?11]。智能电子设备（IED）使用COMTRADE记录器记录在故障状态期间的行波状态。然后，设备使用数字信号处理算法来处理测量数据，从而确定故障线路并向断路器发起跳闸信号。所有测量数据通过智能电子设备交换，系统得到所有信息从而做出准确决定。本文计算系统的时间延迟采用IEEE 802.11n技术的方法。
2 离散小波变换
电力系统的保护系统中使用了众多类型的信号压缩算法，如快速傅里叶变换（FFT）、离散余弦变换（DCT）和离散小波变换（DWT）。其中，离散小波变换引入了时频信号分析的基本函数，所以适合对瞬态分量或不连续性的信号分析。通过保持特征完整性和去除冗余，离散小波变换实现了具有数据保真度受控下更高的压缩比。文中，故障期间的电压信号使用PSCAD/EMTAC模拟器得到，该模拟器从COMTRADE记录仪中以相位和地之间20 kHz的速率获取电压信号波形。由于PSCAD/EMTAC模拟器的限制，采样频率最高为20 kHz。但由于使用了小波变换，该信号可被推广到其他高频信号，从而实现信号的无损压缩。采用Matlab1?D的小波变换算法，从而使用水平阈值来评估压缩比。图2展示了COMTRADE记录仪在相位和地之间以20 kHz记录的故障信号。图3显示了第1～5层的小波变换系数，其展示了信号被分解后的高频分量。
每一层的阈值为：
式中，是阈值系数且。每一层的小波系数将通过以下关系保留或忽略：
式中：表示第层的阈值。
为了提高压缩算法的效果，引入了两个指标：一个是压缩因子（cf），其是原始信号和压缩后信号之间大小的比率，其计算公式为：
另一个是均方误差（MSE）的百分比，计算公式为：
式中，和分别表示原始信号和重构信号。表1列出了不同类型的小波变换在故障期间对电压信号的压缩性能指标。
3 通信时间延迟
文中采用OPNET软件进行仿真，以确定数据的传输分组延迟。表2为在IEEE 802.11n协议下，主频为2.4 GHz时，数据传输速率为600 Mb/s的SV分组传输时间延迟。其中，端到端（ETE）延迟是基于IEEE 802.11n协议计算的，仿真中使用的分组长度为365 B，服务质量优先级被设置为4。数据压缩比被设置为10，由此数据分组就包含了40个采样点。此外，在信噪比（）为22～30 dB之间，空间流的不同数量因素也被考虑在内，具体结果如表2所示。
从表2的数据可以看出，随着采样频率的增加，时间延迟也会增加。此外，空间流数目增加会减少数据传输延迟，而信噪比的降低会增加端到端的延迟。于是，整个通信所需的时间为：
式中：是总的通信处理时间；是合并单元的处理时间；是无线局域网中的分组延迟时间；是智能电子设备（IED）的处理时间。由于DSP设备硬件和软件的改进，可控制在100 内。是4个空间流20 kHz的分组延迟，用OPNET测得的结果为50 ，为100 ，所以，总延迟时间（单位：μs）为：
从计算结果可看出，由于通信时间延迟较小，因此该系统的实时性较好，即快速无线局域网可以良好地用于中继之间的保护。另外，需要指出的是，在高频率下，若中继的数量改变，则通过无线局域网交换信息的通信延迟也将会改变。
4 结 语
文中被测试的使用无线局域网的保护系统，主要由连接变电站线路终端的智能中继组成。介绍了系统的主要原理，测试了系统使用的离散小波变换算法的压缩性能。此外，通过对系统的仿真测试，计算了其通信时间延迟。以上结果均证明了，符合IEC 61850标准使用无线局域网的智能电站快速保护系统可以实现，且性能良好。
参考文献
[1] 徐振.智能变电站标准化配置研究[D].北京：华北电力大学，2014.
[2] 庞福滨，杨毅，袁宇波，等.智能变电站保护动作时间延时特性研究[J].电力系统保护与控制，2016，44（15）：86?92.
[3] 戴志辉，张天宇，刘譞，等.面向状态检修的智能变电站保护系统可靠性分析[J].电力系统保护与控制，2016，44（16）：14?21.
[4] 刘宏君，裘愉涛，徐成斌，等.一种新的智能变电站继电保护架构[J].电网与清洁能源，2015，31（3）：49?51.
[5] 肖黎，张海龙，石光.智能变电站一体化调试系统分析[J].电网与清洁能源，2016，32（3）：58?61.
[6] 刘子成.智能变电站保护及自动化系统配置方案的设计[D].镇江：江苏科技大学，2014.
[7] 宋杰，徐洁，周德生，等.基于RTDS的上海地区110 kV变压器保护仿真建模研究[J].电网与清洁能源，2016，32（6）：108?113.
[8] 张英，姜涛，张建民，等.基于IEC 61850的智能变电站网络技术研究[J].现代电子技术，2014，37（6）：151?154.
[9] 张小易，彭志强.智能变电站站控层测试技术研究与应用[J].电力系统保护与控制，2016，44（5）：88?94.
[10] 杨昌兴，郭秀霞，王明毫.新型电容保护的形制与整定[J].电力电容器与无功补偿，2016，37（1）：1?5.
[11] 杨昌兴，王明毫.并联电容器装置设计及应用的若干议题[J].电力电容器与无功补偿，2015，36（3）：1?9.
摘 要：无线局域网的快速保护系统在智能变电站的稳定运行过程中起到了不可替代的作用，而该保护系统的可靠性和实时性研究也引起了广泛关注。针对这一问题，测试与分析了影响该保护系统性能的两个重要方面：通信过程中使用的信号压缩算法和整个系统的通信时间延迟。对使用软件仿真和统计学原理等方法进行了测试和分析。信号压缩算法的评估和通信时间延迟的计算结果表明无线局域网的保护系统应该在智能变电站中被广泛推广。
关键词：智能变电站； 无线局域网； IEC 61850； 行波
中图分类号： TN915?34； TP338 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0170?03
Test and analysis of WLAN?based protection system for smart substation
LIANG Kangyou1， YUAN Ling2， GAN Hongping1
（1. School of Electronic and Electrical Engineering， Chongqing University of Arts and Sciences， Chongqing 402160， China；
2. Yongchuan Branch Company， State Grid Chongqing Electric Power Company， Chongqing 402160， China）
Abstract： The fast protection system based on wireless local area network （WLAN） plays an irreplaceable role in the stable operation process of the smart substation， and its reliability and real?time performance also attract wide attention. Aiming at this problem， two important aspects （signal compression algorithm in communication process and communication time delay of the whole system） affecting on the performance of the protection system are tested and analyzed. The software simulation， statistics principle and other methods are used to test and analyze the system. The evaluation result of the signal compression algorithm and the calculation result of the communication time delay show that the WLAN?based protection system should be widely promoted in the smart substations.
Keywords： smart substation； WLAN； IEC 61850； traveling wave
0 引 言
随着技术的发展和应用，智能变电站在智能电网领域得到了广泛应用，成为新一代电力系统的核心组成。在实际应用中，智能变电站除了要满足传统变电站的功能之外，还需实现信息采集、传输、处理和输出等完全数字化的功能[1]。为保障这些功能的实现，智能变电站需要使用可靠且快速的保护系统[2?6]。目前，基于行波的无线局域网系统可实现智能变电站所需功能，本文就对该保护系统进行了测试与分析。
智能变电站保护系统最重要的性能就是信号传输的可靠性和实时性[7?8]。本文也是针对这两个方面对保护系统进行测试。首先，影响该系统可靠性的因素就是控制信号传输的压缩算法，即离散小波变换算法（DWT）。压缩因子、信噪比和均方误差百分比这些指标均可充分评价信号的变化，其被用來测试该算法的性能。其次，作为衡量该系统实时性的指标，即系统的通信传输时间延迟，也在本文的后半部分被计算。在测试过程中，OPNET软件仿真了该系统。在不同的采样频率、空间流数量以及信噪比的情况下，从仿真结果可以得到通信的端到端时间延迟。在此基础上，估算整个系统的通信时间延迟，计算结果证明了该系统可起到快速保护的作用。
1 使用无线局域网的保护系统
用于保护智能变电站的无线局域网是基于IEC 61850标准的，IEC 61850标准是变电站自动化领域中的国际标准协议，实现了智能变电站的工程运作标准化。而基于该标准的无线局域网基础架构较为简单。如图1所示，该系统是由连接变电站线路终端的智能中继组成[9?11]。智能电子设备（IED）使用COMTRADE记录器记录在故障状态期间的行波状态。然后，设备使用数字信号处理算法来处理测量数据，从而确定故障线路并向断路器发起跳闸信号。所有测量数据通过智能电子设备交换，系统得到所有信息从而做出准确决定。本文计算系统的时间延迟采用IEEE 802.11n技术的方法。
2 离散小波变换
电力系统的保护系统中使用了众多类型的信号压缩算法，如快速傅里叶变换（FFT）、离散余弦变换（DCT）和离散小波变换（DWT）。其中，离散小波变换引入了时频信号分析的基本函数，所以适合对瞬态分量或不连续性的信号分析。通过保持特征完整性和去除冗余，离散小波变换实现了具有数据保真度受控下更高的压缩比。文中，故障期间的电压信号使用PSCAD/EMTAC模拟器得到，该模拟器从COMTRADE记录仪中以相位和地之间20 kHz的速率获取电压信号波形。由于PSCAD/EMTAC模拟器的限制，采样频率最高为20 kHz。但由于使用了小波变换，该信号可被推广到其他高频信号，从而实现信号的无损压缩。采用Matlab1?D的小波变换算法，从而使用水平阈值来评估压缩比。图2展示了COMTRADE记录仪在相位和地之间以20 kHz记录的故障信号。图3显示了第1～5层的小波变换系数，其展示了信号被分解后的高频分量。
每一层的阈值为：
式中，是阈值系数且。每一层的小波系数将通过以下关系保留或忽略：
式中：表示第层的阈值。
为了提高压缩算法的效果，引入了两个指标：一个是压缩因子（cf），其是原始信号和压缩后信号之间大小的比率，其计算公式为：
另一个是均方误差（MSE）的百分比，计算公式为：
式中，和分别表示原始信号和重构信号。表1列出了不同类型的小波变换在故障期间对电压信号的压缩性能指标。
3 通信时间延迟
文中采用OPNET软件进行仿真，以确定数据的传输分组延迟。表2为在IEEE 802.11n协议下，主频为2.4 GHz时，数据传输速率为600 Mb/s的SV分组传输时间延迟。其中，端到端（ETE）延迟是基于IEEE 802.11n协议计算的，仿真中使用的分组长度为365 B，服务质量优先级被设置为4。数据压缩比被设置为10，由此数据分组就包含了40个采样点。此外，在信噪比（）为22～30 dB之间，空间流的不同数量因素也被考虑在内，具体结果如表2所示。
从表2的数据可以看出，随着采样频率的增加，时间延迟也会增加。此外，空间流数目增加会减少数据传输延迟，而信噪比的降低会增加端到端的延迟。于是，整个通信所需的时间为：
式中：是总的通信处理时间；是合并单元的处理时间；是无线局域网中的分组延迟时间；是智能电子设备（IED）的处理时间。由于DSP设备硬件和软件的改进，可控制在100 内。是4个空间流20 kHz的分组延迟，用OPNET测得的结果为50 ，为100 ，所以，总延迟时间（单位：μs）为：
从计算结果可看出，由于通信时间延迟较小，因此该系统的实时性较好，即快速无线局域网可以良好地用于中继之间的保护。另外，需要指出的是，在高频率下，若中继的数量改变，则通过无线局域网交换信息的通信延迟也将会改变。
4 结 语
文中被测试的使用无线局域网的保护系统，主要由连接变电站线路终端的智能中继组成。介绍了系统的主要原理，测试了系统使用的离散小波变换算法的压缩性能。此外，通过对系统的仿真测试，计算了其通信时间延迟。以上结果均证明了，符合IEC 61850标准使用无线局域网的智能电站快速保护系统可以实现，且性能良好。
参考文献
[1] 徐振.智能变电站标准化配置研究[D].北京：华北电力大学，2014.
[2] 庞福滨，杨毅，袁宇波，等.智能变电站保护动作时间延时特性研究[J].电力系统保护与控制，2016，44（15）：86?92.
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[4] 刘宏君，裘愉涛，徐成斌，等.一种新的智能变电站继电保护架构[J].电网与清洁能源，2015，31（3）：49?51.
[5] 肖黎，张海龙，石光.智能变电站一体化调试系统分析[J].电网与清洁能源，2016，32（3）：58?61.
[6] 刘子成.智能变电站保护及自动化系统配置方案的设计[D].镇江：江苏科技大学，2014.
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[8] 张英，姜涛，张建民，等.基于IEC 61850的智能变电站网络技术研究[J].现代电子技术，2014，37（6）：151?154.
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[10] 杨昌兴，郭秀霞，王明毫.新型电容保护的形制与整定[J].电力电容器与无功补偿，2016，37（1）：1?5.
[11] 杨昌兴，王明毫.并联电容器装置设计及应用的若干议题[J].电力电容器与无功补偿，2015，36（3）：1?9.
